量子強化型再構成可能インメモリ確率計算

この新しい種類のコンピュータが重要な理由

現代の生活は、ストリーミング映像から人工知能の学習に至るまでデータに支えられています。しかし、現在のコンピュータはプロセッサとメモリ間で情報を行き来させることに多くの時間とエネルギーを浪費しています。本稿は根本的に異なるアプローチを報告します：情報を記憶でき、かつ量子物理の奇妙な法則を用いて計算も行える、小さな温かい原子の管です。その結果、並列処理に自然に適し、特定の演算を高速化でき、計算そのものを覗き見から部分的に隠すことさえできる新種の「インメモリ」コンピュータが生まれます。

数の別の考え方

電子回路上の固定桁で数を表す代わりに、著者らは計算の原料として確率そのものを用いています。彼らのシステムは「確率計算」に依拠しており、数値はランダム事象の確率として符号化されます。本例では、事象は量子メモリから放出される個々の光子です。量子メモリは室温のセシウム原子が数十億個封入されたガラスセルで、磁気遮蔽で覆われています。形を整えたレーザーパルスがこれらの原子と相互作用し、制御されたが確率的な方法で光子を放出させます。光子が出現する頻度を数えることで、装置は基本的な数学演算を実行できます。

原子の雲がどのように計算器になるか

セットアップはインターフェースユニット、インメモリユニット、アキュムレータに分かれています。インターフェースユニットはまず、加算や乗算のようなユーザーのタスクを特定のパターンのレーザーパルスに変換します。これらの「アドレッシングパルス」は原子セルに入射し、原子を準備したり、情報を書き込んだり、読み出したりします。その過程で原子はストークス光子と反ストークス光子と呼ばれる2種類の光子と、原子雲内部の隠れたスピン励起を放出します。各時間スロットで光子が現れる確率は、処理されている数値に直接結びついています。メモリを出た光子は単一光子検出器に当たり、そのカウントはタスクごとに選ばれた単純な規則に従ってアキュムレータによって集計されます。

ランダムな閃光を加算と乗算に変える

加算は、ストークス光子を一定確率で生成できる「書き込み」パルスを繰り返し送ることで実装されます。各成功検出は実行中の合計にひとつの単位を加えます。多数の試行を通じて、検出された光子の平均数は符号化された入力の和を反映します。乗算は量子的相関を利用します：書き込みパルスはストークス光子とともに原子中に励起を保存し、後続の「読み出し」パルスがその励起を反ストークス光子に変換することがあります。両方の光子が同時に検出されると、その同時出現確率は2つの数の積に対応します。第1の数はストークス光子が現れる確率に符号化され、第2の数は保存された励起が反ストークス光子に変換される効率に符号化されます。パルストレインを設計することで、単一の加算や乗算だけでなく、ベクトル乗算のような並列演算も扱えます。

量子結びつきで高速化し、答えを隠す

このアプローチの中心的な利点は、光子間の非古典的相関に由来します。ストークス光子と反ストークス光子が共有された原子励起を介して真に結びついている場合、その同時検出率は無相関なランダム光子から期待される値より数倍高くなり得ます。これにより、パルスエネルギーを増やすことなく乗算の速度が事実上向上します。なぜなら、目標とする同時事象の数に到達するまでの試行回数が少なくて済むためです。同時に、光子生成の確率的性質は一種のセキュリティを提供します。盗聴者が検出事象のごく一部しか観測できない場合、試行カウントの広い統計的ばらつきが最終的な数値結果の確実な推定を妨げます。こうして、計算そのもの――通信チャネルだけでなく――が処理中に覆い隠されたままになります。

不完全な量子メモリの有効活用

ここで用いられる量子メモリは長距離量子ネットワークの基準から見ると理想的とは程遠く、保存された励起のうち読み出しに成功するのはごく一部に過ぎません。それでも著者らは、この「不完全な」装置が、相関した光子対が偶発的な対よりも頻繁に起こる限り、量子強化型インメモリ確率計算に十分であることを示しています。現行技術で既に実現可能なこのようなメモリは、フォトニックチップと統合された安全で大規模並列な計算モジュールの基盤になり得ると論じています。簡潔に言えば、本研究は、雑音が多く低効率の量子メモリであっても光の閃光を数えることで強力な計算器として機能し得ることを示しており、高速でエネルギー効率が高く、自然にプライベートな将来の計算ハードウェアへの新たな道を示しています。

引用: Yang, HZ., Dou, JP., Lu, F. et al. Quantum-enhanced reconfigurable in-memory stochastic computing. Light Sci Appl 15, 178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02181-6

キーワード: 量子メモリ計算, 確率計算, 単一光子処理, インメモリアーキテクチャ, 安全な量子計算